1第一章襯底制備ppt課件

1、集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)第一章第一章 Si Si單晶及單晶及SiSi片的制備片的制備20122012年年8 8月月3131日日主要內(nèi)容n多晶硅的制備多晶硅的制備n直拉法制備直拉法制備SiSi單晶單晶nSiSi片的制備片的制備1.1 1.1 多晶多晶SiSi的制備的制備1.1.1 1.1.1 半導(dǎo)體材料的類型半導(dǎo)體材料的類型元素半導(dǎo)體：元素半導(dǎo)體：SiSi、GeGe、C C金剛石）金剛石）化合物半導(dǎo)體：化合物半導(dǎo)體：GaAsGaAs、SiGe SiGe 、SiC SiC 、GaNGaN、 ZnO ZnO 、HgCdTeHgCdTe 族族 族 族 族第2周期BC N第3周期AlSi P S

2、第4周期ZnGaGe As Se第5周期CdInSn Sb Te第6周期HgPb Si Si半導(dǎo)體的重要性半導(dǎo)體的重要性n占地殼重量占地殼重量20%-25%20%-25%；n單晶直徑最大，目前單晶直徑最大，目前1616英吋英吋400mm400mm）, ,每每3 3年增年增 n 加加1 1英吋；英吋；nSiO2:SiO2:掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣介質(zhì)掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣介質(zhì)多多n 層布線）、絕緣柵、層布線）、絕緣柵、MOSMOS電容的介質(zhì)材料；電容的介質(zhì)材料；n多晶硅（多晶硅（ Poly-Si Poly-Si）：柵電極、雜質(zhì)擴(kuò)散源、互）：柵電極、雜質(zhì)擴(kuò)散源、互 n 連線比鋁布線靈

3、活）；連線比鋁布線靈活）；1.1.2 Si1.1.2 Si單晶的起始材料單晶的起始材料-石英巖高純度硅砂石英巖高純度硅砂-SiO2-SiO2）SiO2+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g), SiO2+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金級(jí)硅：冶金級(jí)硅：98%98%； Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+H2 Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+H2，三氯硅烷室溫下，三氯硅烷室溫下呈液態(tài)沸點(diǎn)為呈液態(tài)沸點(diǎn)為3232），利用分餾法去除雜質(zhì)；），利用分餾法去除雜質(zhì)； SiHCl3(g)+ H2Si(s)+ 3HCl(g) SiHCl3(g)+ H2

4、Si(s)+ 3HCl(g)，電子級(jí)硅片，電子級(jí)硅片狀多晶硅）狀多晶硅）從石英砂到硅錠多晶硅提純多晶硅提純 I I過(guò)過(guò)濾濾器器冷凝器冷凝器純化器純化器反應(yīng)室，反應(yīng)室，300HClSi Si 硅粉硅粉SiHCl3 (SiHCl3 (三氯氫硅三氯氫硅 ，TGS)TGS)純度純度:99.9999999%(9N):99.9999999%(9N)Si (固固) + 3HCl(氣氣) SiHCl3(氣氣)+H2(氣氣)(220300)SiHCl3SiHCl3：沸點(diǎn)：沸點(diǎn)31.5 31.5 FeFe、AlAl和和B B被去除。被去除。多晶硅提純多晶硅提純 IIIIH2液態(tài)SiHCl3TGSH2+SiHCl3

5、H2+SiHCl3Si+3HCl電子級(jí)硅多晶硅EGS工藝腔1.2.1 1.2.1 直拉法直拉法CZCZ法）法）1 1拉晶儀拉晶儀爐子爐子石英坩堝：盛熔融硅液；石英坩堝：盛熔融硅液；石墨基座：支撐和加熱石墨基座：支撐和加熱 石英坩堝石英坩堝旋轉(zhuǎn)裝置：順時(shí)針轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)裝置：順時(shí)針轉(zhuǎn)；加熱裝置：加熱裝置：RFRF線圈；線圈； 1.2 Si1.2 Si單晶的制備單晶的制備柴可拉斯基拉晶儀柴可拉斯基拉晶儀1 1拉晶儀拉晶儀拉晶裝置拉晶裝置籽晶夾持器：夾持籽晶單晶）；籽晶夾持器：夾持籽晶單晶）；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時(shí)針；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時(shí)針；環(huán)境控制環(huán)境控制真空系統(tǒng)：真空系統(tǒng)：氣路系統(tǒng)：提供惰性氣體；氣路系統(tǒng)：

6、提供惰性氣體；排氣系統(tǒng)：排氣系統(tǒng)：電子控制及電源系統(tǒng)電子控制及電源系統(tǒng) 2 2拉晶過(guò)程拉晶過(guò)程 例，例，2.52.5及及3 3英吋硅單晶制備英吋硅單晶制備 熔硅熔硅調(diào)節(jié)坩堝位置；（本卷須知：熔硅時(shí)間不易長(zhǎng)）調(diào)節(jié)坩堝位置；（本卷須知：熔硅時(shí)間不易長(zhǎng)） 引晶下種）引晶下種）籽晶預(yù)熱：目的籽晶預(yù)熱：目的-避免對(duì)熱場(chǎng)的擾動(dòng)太大；避免對(duì)熱場(chǎng)的擾動(dòng)太大； 位置位置-熔硅上方；熔硅上方；與熔硅接觸：溫度太高與熔硅接觸：溫度太高-籽晶熔斷；籽晶熔斷； 溫度太低溫度太低-籽晶不熔或不生長(zhǎng)；籽晶不熔或不生長(zhǎng)； 合適溫度合適溫度-籽晶與熔硅可長(zhǎng)時(shí)間接觸，籽晶與熔硅可長(zhǎng)時(shí)間接觸， 既不會(huì)進(jìn)一步融化，也不既不會(huì)進(jìn)一步融

7、化，也不會(huì)生長(zhǎng)；會(huì)生長(zhǎng)； 2 2拉晶過(guò)程拉晶過(guò)程收頸收頸目的：抑制位錯(cuò)從籽晶目的：抑制位錯(cuò)從籽晶 向晶體延伸；向晶體延伸；直徑：直徑：2-3mm2-3mm；長(zhǎng)度：長(zhǎng)度：20mm20mm；拉速：拉速：3.5mm/min3.5mm/min 放肩放肩溫度：降溫度：降15-4015-40；拉速：拉速：0.4mm/min0.4mm/min； 2 2拉晶過(guò)程拉晶過(guò)程 收肩收肩當(dāng)肩部直徑比所需直徑小當(dāng)肩部直徑比所需直徑小3-5mm3-5mm時(shí)，提高拉速：時(shí)，提高拉速： 2.5mm/min 2.5mm/min； 等徑生長(zhǎng)等徑生長(zhǎng)拉速：拉速：1.3-1.5mm/min1.3-1.5mm/min；熔硅液面在溫度場(chǎng)

8、保持相對(duì)固定；熔硅液面在溫度場(chǎng)保持相對(duì)固定； 收尾收尾 熔硅料為熔硅料為1.5kg1.5kg時(shí)，停止坩堝跟蹤。時(shí)，停止坩堝跟蹤。 直拉(CZ)法生長(zhǎng)Si單晶示意直拉(CZ)法生長(zhǎng)的Si單晶錠1.2 Si單晶的制備1.2.2 1.2.2 懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法也稱也稱FZFZ法，法，float-zonefloat-zone特點(diǎn)：特點(diǎn)：可重復(fù)生長(zhǎng)、提純單晶；可重復(fù)生長(zhǎng)、提純單晶； 無(wú)需坩堝、石墨托，污染無(wú)需坩堝、石墨托，污染 少，純度較少，純度較CZCZ法高；法高； FZFZ單晶：高純、高阻、單晶：高純、高阻、 低氧、低碳；低氧、低碳；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 單晶直徑不及單晶直徑不及CZCZ法。法。 直拉法直

9、拉法vsvs區(qū)熔法區(qū)熔法 u 直拉法，更為常用直拉法，更為常用(占占75以上以上)u 廉價(jià)廉價(jià)u 更大的圓片尺寸更大的圓片尺寸(400mm已生產(chǎn)已生產(chǎn))u 剩余原材料可重復(fù)使用剩余原材料可重復(fù)使用u 位錯(cuò)密度：位錯(cuò)密度：0104cm2u 區(qū)熔法區(qū)熔法u 高純度的硅單晶高純度的硅單晶(不使用坩鍋不使用坩鍋)（電阻率（電阻率2000W-mm）u 成本高，可生產(chǎn)圓片尺寸較小成本高，可生產(chǎn)圓片尺寸較小(150mm)u 主要用于功率器件主要用于功率器件u 位錯(cuò)密度：位錯(cuò)密度：103105cm21.2 Si1.2 Si單晶的制備單晶的制備1.2.3 1.2.3 水平區(qū)熔法水平區(qū)熔法布里吉曼法布里吉曼法 G

10、aAs GaAs單晶單晶1.3 Si1.3 Si片制備片制備n襯底制備包括：整形、晶體定向、晶面標(biāo)識(shí)、晶面襯底制備包括：整形、晶體定向、晶面標(biāo)識(shí)、晶面加工。加工。1.3.1 1.3.1 硅錠整型處理硅錠整型處理定位邊參考面）定位邊參考面）150mm150mm或更小直徑或更小直徑定位槽定位槽200mm200mm或更大直徑或更大直徑2.2 單晶單晶Si制備制備n截掉頭尾、截掉頭尾、n直徑研磨和直徑研磨和n定位邊或定位槽。定位邊或定位槽。1.3.2 1.3.2 晶體定向晶體定向 n晶體具有各向異性晶體具有各向異性n 器件一般制作在低米勒指數(shù)面的晶片上，如器件一般制作在低米勒指數(shù)面的晶片上，如n 雙極

11、器件：雙極器件：111111面；面； MOSMOS器件：器件：100100面。面。n晶體定向的方法晶體定向的方法 n 1 1光圖像定向法參考李乃平）光圖像定向法參考李乃平）n 腐蝕：要定向的晶面經(jīng)研磨、腐蝕，晶面腐蝕：要定向的晶面經(jīng)研磨、腐蝕，晶面上出現(xiàn)許多由低指數(shù)小平面圍成、與晶面具有上出現(xiàn)許多由低指數(shù)小平面圍成、與晶面具有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的小腐蝕坑；一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的小腐蝕坑；n 光照：利用這些小腐蝕坑的宏觀對(duì)稱性，光照：利用這些小腐蝕坑的宏觀對(duì)稱性，正入射平行光反映出不同的圖像，從而確定晶正入射平行光反映出不同的圖像，從而確定晶面。面。 光圖像定向法光圖像定向法1.3.2 1.3.2 晶體定向晶

12、體定向 2 2X X射線衍射法射線衍射法方法：勞埃法；轉(zhuǎn)動(dòng)晶體法；方法：勞埃法；轉(zhuǎn)動(dòng)晶體法；原理：原理： 入射角入射角應(yīng)滿足：應(yīng)滿足：n=2dsinn=2dsin； 晶面米勒指數(shù)晶面米勒指數(shù)h h、k k、l l應(yīng)滿足：應(yīng)滿足： h2+k2+l2=4n-1 h2+k2+l2=4n-1n n為奇數(shù)）為奇數(shù)） h2+k2+l2=4n h2+k2+l2=4nn n為偶數(shù)）為偶數(shù)）1.3.3 1.3.3 晶面標(biāo)識(shí)晶面標(biāo)識(shí)n原理：各向異性使晶片沿解理面易裂開(kāi)；原理：各向異性使晶片沿解理面易裂開(kāi)；n 硅單晶的解理面：硅單晶的解理面：111111 ； n1 1主參考面主定位面，主標(biāo)志面）主參考面主定位面，主

13、標(biāo)志面）n起識(shí)別劃片方向作用；起識(shí)別劃片方向作用；n作為硅片晶錠機(jī)械加工定位的參考面；作為硅片晶錠機(jī)械加工定位的參考面；n作為硅片裝架的接觸位置，可減少硅片損耗；作為硅片裝架的接觸位置，可減少硅片損耗；n2 2次參考面次定位面，次標(biāo)志面）次參考面次定位面，次標(biāo)志面）n識(shí)別晶向和導(dǎo)電類型識(shí)別晶向和導(dǎo)電類型 SiSi片晶面標(biāo)識(shí)示意片晶面標(biāo)識(shí)示意1.3.4 Si晶片加工參考莊同曾）n切片、磨片、拋光切片、磨片、拋光n1 1切片切片n將已整形、定向的單晶用切割的方法加工成符將已整形、定向的單晶用切割的方法加工成符合一定要求的單晶薄片。合一定要求的單晶薄片。n切片基本決定了晶片的晶向、平行度、翹度，切片

14、基本決定了晶片的晶向、平行度、翹度，切片損耗占切片損耗占1/31/3。切片切片(Wafer Sawing)(Wafer Sawing)示意示意晶向標(biāo)記晶向標(biāo)記定位槽定位槽鋸條鋸條冷卻液冷卻液硅錠硅錠硅錠運(yùn)動(dòng)方向硅錠運(yùn)動(dòng)方向金剛石覆層金剛石覆層2.2 單晶單晶Si制備制備1.3.4 Si晶片加工2 2磨片磨片目的：目的： 使各片厚度一致；使各片厚度一致； 使各硅片各處厚度均勻；使各硅片各處厚度均勻； 改善平整度。改善平整度。 磨料：磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。要求：其硬度大于硅片硬度。 品種：品種：Al2O3Al2O3、SiCSiC、ZrOZrO、SiO2SiO2、MgOMgO等等 1.3

15、.4 Si晶片加工3 3拋光拋光目的：進(jìn)一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光目的：進(jìn)一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔及無(wú)損層的潔及無(wú)損層的“理想外表。理想外表。方法：機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光方法：機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光CMP,chemical-mechanical polishingCMP,chemical-mechanical polishing） 機(jī)械拋光機(jī)械拋光: :與磨片工藝原理相同，磨料更細(xì)與磨片工藝原理相同，磨料更細(xì)0.1-0.5m0.1-0.5m），），MgOMgO、SiO2SiO2、ZrOZrO； 優(yōu)點(diǎn)：表面平整；缺點(diǎn)：損傷層深、速度慢。優(yōu)點(diǎn)：表面平整；缺點(diǎn)：損傷層深、速度慢。1.3.4 Si晶片加工化學(xué)拋光化學(xué)腐蝕）化學(xué)拋光化學(xué)腐蝕）a.a.酸性腐蝕酸性腐蝕典型配方：典型配方：HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(體積比體積比) ) 3Si+4HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO+8H2O3Si+4HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO+8H2O注意腐蝕溫度：注意腐蝕溫度：T=30-50,T=30-50,表面平滑；表面平滑； T25, T75mm75mm）; ; 2 2不需攪